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Neues Batteriedesign könnte Elektrofahrzeugen einen Schock versetzen
May 11, 2018

Neues Batteriedesign könnte Elektrofahrzeuge einen Ruck geben

Ein signifikanter Fortschritt in der Batteriearchitektur könnte ein Durchbruch für Elektrofahrzeuge und Netzspeicher sein.

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Ein radikal neuer Ansatz für das Design von Batterien, der von Forschern am MIT entwickelt wurde, könnte eine leichte und kostengünstige Alternative zu bestehenden Batterien für Elektrofahrzeuge und das Stromnetz darstellen. Die Technologie könnte sogar dazu führen, dass solche Batterien schnell und einfach "aufgetankt" werden, wenn Gas in ein herkömmliches Auto gepumpt wird.

 

Die neue Batterie basiert auf einer innovativen Architektur, die als halbfeste Durchflusszelle bezeichnet wird, in der feste Partikel in einer Trägerflüssigkeit suspendiert und durch das System gepumpt werden. Bei dieser Konstruktion bestehen die aktiven Komponenten der Batterie - die positiven und negativen Elektroden oder Kathoden und Anoden - aus Partikeln, die in einem flüssigen Elektrolyten suspendiert sind. Diese zwei verschiedenen Suspensionen werden durch Systeme gepumpt, die durch einen Filter, wie eine dünne poröse Membran, getrennt sind.

 

Die Arbeit wurde von Mihai Duduta '10 und seinem Doktoranden Bryan Ho unter der Leitung der Professoren für Materialwissenschaften W. Craig Carter und Yet-Ming Chiang durchgeführt. Es ist in einem am 20. Mai in der Zeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlichten Papier beschrieben . Das Papier wurde gemeinsam von dem Gastwissenschaftler Pimpa Limthongkul '02, der Postdoc Vanessa Wood '10 und dem Doktoranden Victor Brunini '08 verfasst.

 

Ein wichtiges Merkmal des neuen Designs ist, dass es die zwei Funktionen der Batterie trennt - Energie speichert, bis sie gebraucht wird, und diese Energie, wenn sie gebraucht werden muss, in separate physische Strukturen entlädt. (Bei herkömmlichen Batterien erfolgen Lagerung und Entladung in der gleichen Struktur.) Durch die Trennung dieser Funktionen können Batterien effizienter gestaltet werden, sagt Chiang.

 

Das neue Design sollte es ermöglichen, die Größe und die Kosten eines kompletten Batteriesystems einschließlich seiner gesamten strukturellen Unterstützung und Anschlüsse auf etwa die Hälfte des aktuellen Niveaus zu reduzieren. Diese dramatische Reduzierung könnte der Schlüssel dazu sein, Elektrofahrzeuge mit konventionellen Fahrzeugen mit Gas- oder Dieselantrieb voll konkurrenzfähig zu machen, sagen die Forscher.

 

Ein weiterer potentieller Vorteil besteht darin, dass ein derartiges System bei Fahrzeuganwendungen die Möglichkeit des einfachen "Auftankens" der Batterie durch Abpumpen der flüssigen Aufschlämmung und Einpumpen eines frischen, voll aufgeladenen Ersatzes oder durch Austauschen der Tanks wie Reifen an einer Grube erlauben würde stoppen Sie, während Sie immer noch die Option behalten, das vorhandene Material einfach aufzuladen, wenn die Zeit es erlaubt.

Durchflussbatterien gibt es seit einiger Zeit, haben aber Flüssigkeiten mit sehr niedriger Energiedichte verwendet (die Menge an Energie, die in einem bestimmten Volumen gespeichert werden kann). Aus diesem Grund benötigen vorhandene Durchflussbatterien viel mehr Platz als Brennstoffzellen und erfordern ein schnelles Pumpen ihrer Flüssigkeit, was ihre Effizienz weiter verringert.

 

Die von Chiang und seinen Kollegen neu entwickelten halbfesten Durchflussbatterien überwinden diese Einschränkung und bieten eine 10-fache Verbesserung der Energiedichte gegenüber derzeitigen Flüssigkeitsdurchfluss-Batterien und eine kostengünstigere Herstellung als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Da das Material eine so hohe Energiedichte hat, muss es nicht schnell genug gepumpt werden, um seine Energie zu liefern. "Es sickert", sagt Chiang. Weil die Suspensionen wie schwarze Schmiere aussehen und fließen und am Ende anstelle von Petroleum zum Transport verwendet werden könnten, sagt Carter: "Wir nennen es 'Cambridge Crude'."

 

Die wichtigste Erkenntnis von Chiangs Team war, dass es möglich wäre, die grundlegende Struktur von Wasserflussbatterien mit der bewährten Chemie von Lithium-Ionen-Batterien zu kombinieren, indem die festen Materialien der Batterien zu winzigen Partikeln reduziert werden, die in einer flüssigen Suspension mitgeführt werden können. ähnlich wie Quicksand wie eine Flüssigkeit fließen kann, obwohl sie meist aus festen Partikeln besteht. "Wir verwenden zwei bewährte Technologien und bauen sie zusammen", sagt Carter.

 

Zusätzlich zu möglichen Anwendungen in Fahrzeugen könnte das neue Batteriesystem auf sehr große Größen zu niedrigen Kosten skaliert werden. Dies würde es besonders für groß angelegte Stromspeicher für Versorgungsunternehmen geeignet machen, was intermittierende, unvorhersehbare Quellen wie Wind- und Sonnenenergie praktisch für die Stromversorgung des Stromnetzes machen könnte.

 

Das Team wollte "den Akku neu erfinden", sagt Chiang. Aber das Gerät, das sie entwickelt haben, ist möglicherweise eine ganze Familie neuer Batteriesysteme, weil es eine Designarchitektur ist, die "nicht an irgendeine bestimmte Chemie gebunden ist". Chiang und seine Kollegen erforschen nun verschiedene chemische Kombinationen, die innerhalb des Semi verwendet werden könnten -festes Strömungssystem. "Wir werden herausfinden, was heute praktisch entwickelt werden kann", sagt Chiang, "aber je besser die Materialien, desto besser können wir sie an diese Architektur anpassen."

 

Yury Gogotsi, Universitätsprofessor an der Drexel University und Direktor des Nanotechnology Institute von Drexel, sagt: "Die Demonstration einer halbfesten Lithium-Ionen-Batterie ist ein großer Durchbruch, der zeigt, dass aktive Materialien vom Slurry-Typ zur Speicherung elektrischer Energie verwendet werden können. "Dieser Fortschritt", sagt er, "hat enorme Bedeutung für die Zukunft der Energieerzeugung und -speicherung."

 

Gogotsi warnt davor, dass die Herstellung einer praktischen, kommerziellen Version einer solchen Batterie Forschung erfordert, um bessere Kathoden- und Anodenmaterialien und Elektrolyte zu finden, fügt aber hinzu: "Ich sehe keine grundlegenden Probleme, die nicht angegangen werden können. Natürlich kann die Entwicklung funktionierender Systeme, die in Bezug auf Kosten und Leistung mit den derzeit verfügbaren Batterien konkurrieren können, Jahre dauern. "

 

Chiang, dessen frühere Erkenntnisse über die Chemie von Lithium-Ionen-Batterien 2001 zur Gründung von MIT Spinoff A123 Systems führten, sagt, dass die beiden Technologien komplementär seien und verschiedene potenzielle Anwendungen adressieren. Zum Beispiel werden die neuen Semi-Solid-Flow-Batterien wahrscheinlich nie für kleinere Anwendungen wie Werkzeuge geeignet sein, oder wo kurze Ausbrüche von sehr hoher Leistung erforderlich sind - Bereiche, in denen die Batterien des A123 überragend sind.

 

Die neue Technologie wird an eine Firma namens 24M Technologies lizenziert, die letzten Sommer von Chiang und Carter gemeinsam mit dem Unternehmer Throop Wilder, dem Präsidenten des Unternehmens, gegründet wurde. Das Unternehmen hat bereits mehr als 16 Millionen US-Dollar für Risikokapital und staatliche Forschungsfinanzierung gesammelt.

 

Die Entwicklung der Technologie wurde teilweise durch Zuschüsse von der Defense Advanced Research Projects Agency des US-Verteidigungsministeriums und der Advanced Research Projects Agency - Energy (ARPA-E) finanziert. Die fortlaufende Forschung zu dieser Technologie findet zum Teil bei 24M statt, wo einige Absolventen des MIT, die an dem Projekt arbeiteten, Teil des Teams sind; am MIT, wo Professor Angela Belcher und Paula Hammond Co-Ermittler sind; und bei Rutgers mit Professor Glenn Amatucci.

 

Ziel der laufenden Arbeit des Teams ist es, im Rahmen eines dreijährigen ARPA-E-Zuschusses, der im September 2010 vergeben wurde, bis zum Ende des Förderzeitraums "ein voll funktionsfähiges, verkleinertes Prototypsystem zu haben", sagt Chiang. bereit für die Produktion als Ersatz für bestehende Batterien für Elektroautos.